Фильтр СВЧ Российский патент 2023 года по МПК H01P1/203 

Изобретение относится к устройствам СВЧ, а именно, к полосно-пропускающим фильтрам СВЧ.

Фильтры СВЧ предназначены для пропускания сигнала СВЧ с частотой, лежащей внутри рабочей полосы частот, и заграждения сигнала СВЧ с частотой, лежащей вне рабочей полосы частот.

Известен фильтр СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, два отрезка линии передачи, при этом, один конец первого отрезка линии передачи первого звена соединен с линией передачи на входе, другой - с одним концом второго отрезка линии передачи, другой конец второго отрезка линии передачи соединен с линией передачи на выходе.

При этом длины первого и второго отрезков линии передачи кратны нечетному числу четвертей длин волн, распространяющихся в этих отрезках линии передачи на центральной частоте рабочей полосы пропускания фильтра СВЧ, и имеют волновые сопротивления, отличающиеся на порядок [Алмазов - Долженко К.И., Королев А.Н. Техническая электродинамика Рис.4.124].

В таком фильтре СВЧ отрезок линии передачи с большой величиной волнового сопротивления эквивалентен последовательной индуктивности, а отрезок линии передачи с малой величиной волнового сопротивления эквивалентен параллельной емкости, поэтому он имеет низкие потери СВЧ на низких частотах и высокие потери - на высоких частотах.

Такой фильтр позволяет осуществить фильтрацию сигнала только на низких частотах (от частоты f = 0 до частоты среза f_с) и не позволяет осуществить фильтрацию в рабочей полосе частот, ограниченной нижней f₁ и верхней f₂ частотами рабочей полосы.

Известен фильтр СВЧ, содержащий входную и выходную линии передачи, между которыми расположен связанный резонатор, который выполнен из двух каскадно - соединенных элементов, каждый из которых содержит два отрезка линии передачи одинаковой длины, связанных электромагнитно, при этом входная линия передачи соединена с концом первого отрезка первого элемента, первый конец второго отрезка первого элемента разомкнут, второй его конец соединен с первым концом первого отрезка второго элемента, второй конец этого отрезка разомкнут, второй конец второго отрезка второго элемента соединен с выходной линией передачи [Алмазов - Долженко К.И., Королев А.Н. Техническая электродинамика Рис.4.125] - прототип.

Наличие в таком фильтре СВЧ элементов из двух отрезков связанных линий передачи длиной кратной соответственно нечетному числу четверти длин волн обеспечивает малые потери СВЧ вблизи центральной частоты и большие вдали от этой частоты и тем самым позволяет осуществить фильтрацию сигнала СВЧ в рабочей полосе частот, ограниченной нижней f₁ и верхней f₂ частотами рабочей полосы.

Однако, как и в аналоге, в этом фильтре входной сигнал СВЧ с частотой, лежащей вне рабочей полосы частот, отражается от входа фильтра СВЧ. Поскольку в подавляющем большинстве случаев фильтр СВЧ используется не сам по себе, а в составе различных устройств СВЧ (усилителей, преобразователей частоты, генераторов и т.п.), то такое отражение сигнала СВЧ от входа фильтра с последующим многократным его переотражением приводит к нежелательным (паразитным) колебаниям в конечном счете - к возбуждению устройств, содержащих этот фильтр СВЧ.

Кроме того, связанный резонатор представляет собой резонансную систему, амплитудно - частотные характеристики (коэффициенты отражения и передачи) которой имеют ярко выраженный резонансный вид с узкой рабочей полосой частот. Для расширения рабочей полосы частот используют многозвенную конструкцию фильтра СВЧ, что приводит к увеличению его массы и размера (габарита).

Технический результат - подавление отражений сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ и расширение рабочей полосы частот при сохранении массогабаритных параметров.

Указанный технический результат достигается тем, что фильтр СВЧ, содержит входную и выходную линии передачи, между которыми расположен связанный резонатор, выполненный из двух каскадно - соединенных элементов, каждый из которых содержит два отрезка линии передачи одинаковой длины, связанных электромагнитно, при этом входная линия передачи соединена с первым концом первого отрезка первого элемента, первый конец второго отрезка первого элемента разомкнут, первый конец второго отрезка первого элемента разомкнут, второй конец второго отрезка первого элемента соединен с первым концом первого отрезка второго элемента, второй конец первого отрезка второго элемента разомкнут, второй конец второго отрезка второго элемента соединен с выходной линией передачи. Резонатор дополнительно содержит два одинаковых резистора, один из концов каждого резистора заземлен через отрезок линии передачи, а второй конец первого резистора подключен ко второму концу первого отрезка первого элемента, а второй конец второго резистора к первому концу второго отрезка второго элемента, при этом длина каждого отрезка линии передачи кратна нечетному числу четверти длины волны, распространяющейся в этом отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы пропускания фильтра СВЧ.

Подавление отражений вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ основано на физических законах поглощения сигнала СВЧ резисторами и преобразования его в тепловую энергию.

Введение дополнительно двух резисторов и двух отрезков линии передачи и предложенное соединениеих с элементами фильтра СВЧ обеспечит

подавление отражений сигнала СВЧ от фильтра.

Заземление резистора через отрезок линии передачи, длиной кратной соответственно нечетному числу четверти длин волн, обеспечивает активное включение резистора, как элемента поглощения сигнала СВЧ, только на частотах, лежащих вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ, и как следствие подавление отражений сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ.

Предложенное подключение резисторов так, что один из концов каждого резистора заземлен через отрезок лини передачи, а второй конец подключен к концу отрезка соответствующего элемента, приводит к появлению в связанном резонаторе сопротивлений резисторов, а согласно теореме Фано произведение рабочей полосы частот на величину коэффициента передачи на центральной частоте зависит от величин этих сопротивлений, что позволяет путем выбора величин сопротивлений резисторов увеличить рабочую полосу частот фильтра СВЧ.

Одинаковые резисторы и отрезки линии передачи обеспечивают симметрию зависимости от частоты сигнала СВЧ коэффициента передачи фильтра СВЧ относительно центральной частоты и как следствие одинаковое расширение рабочей полосе частот по обе стороны от центральной частоты.

Подключение резисторов так, что один из концов каждого резистора заземлен через отрезок лини передачи, а второй конец подключен к концу отрезка соответствующего элемента позволяет путем соответствующего размещения их на поверхности гибридной интегральной схемы не изменять размеры этой схемы, и как следствие сохранить массогабаритные параметры фильтра СВЧ.

Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно подавление отражений сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ и расширение рабочей полосы частот при сохранении массогабаритных параметров.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 дана топология заявленного фильтра СВЧ, где

- линия передачи на входе - 1,

- линия передачи на выходе - 2,

- первый элемент из каскадно - соединенных - 3,

- второй элемент из каскадно - соединенных - 4,

- первый отрезок связанных линий передачи первого элемента - 5,

- второй отрезок связанных линий передачи первого элемента - 6,

- первый отрезок линии передачи второго элемента - 7,

- второй отрезок линии передачи второго элемента - 8,

- первый резистор - 9,

- второй резистор - 10,

- отрезок линии передачи, заземляющий резистор 11,

- отрезок линии передачи, заземляющий резистор 12.

На Фиг. 2 дана электрическая схема предлагаемого фильтра СВЧ, где:

- первый элемент из каскадно - соединенных Э₁ ,

- второй элемент из каскадно - соединенных Э₂ ,

- линия передачи на входе l_{1 ,}

- линия передачи на выходе l₂ .

На Фиг. 3 представлены графики зависимости от частоты сигнала СВЧ модулей коэффициентов передачи Кпер, отражения Котр и поглощения Кпогл.

Пример конкретного выполнения

Фильтр СВЧ выполнен в виде гибридной интегральной схемы на подложке из диэлектрика - поликора - с относительной диэлектрической проницаемостью равной 9,6 и толщиной равной 0,5 мм с использованием классической тонкопленочной технологии с толщиной пленки меди равной 5 мкм.

Линии передачи на входе 1 и выходе 2, отрезки линии передачи 5,6,7,8 каждого элемента 3 и 4 связанного резонатора выполнены с волновым сопротивлением, равным 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,48 мм.

Одинаковые резисторы 9 и 10 имеют сопротивление равное 75 Ом и выполнены из пленки тантала толщиной 5 мкм, шириной 0,48 мм и длиной 0,64 мм.

Заземление одинаковых отрезков линии передачи 11 и 12 осуществляется через металлизированные отверстия в диэлектрической подложке диаметром 1 мм.

Длина волны, распространяющейся в отрезках линии передачи на центральной частоте рабочей полосы фильтра СВЧ, равна 40 мм.

Длина каждого отрезка линии передачи 5,6,7,8, 11,12 равна 10 мм.

Выходные параметры фильтра СВЧ :

- центральная частота фильтра 3 ГГц,

- рабочая полоса частот 0,3 ГГц,

Заявленный фильтр СВЧ работает следующим образом.

Если на вход фильтра подают сигнал с частотой, лежащей внутри рабочей полосы частот, то такой сигнал в фильтре не поглощается и не отражается, поэтому на выход фильтра этот сигнал проходит практически без изменения.

Если на вход фильтра подают сигнал с частотой, лежащей вне рабочей полосы частот, то такой сигнал в фильтре не отражается, как это имело место в прототипе, а поглощается и поэтому на выход фильтра этот сигнал практически не проходит.

Измеренные характеристики предлагаемого фильтра представлены на графиках Фиг. 3.

В рабочей полосе частот (2,7 - 3,3 ГГц) модуль коэффициента передачи приметно равен 0,8, а вне полосы он резко снижается практически до нуля, то есть со входа на выход фильтра передается 80% мощности сигнала СВЧ, а 20% мощности сигнала СВЧ теряется.

В рабочей полосе частот модуль коэффициента поглощения не превышает 0,1, а вне полосы он повышается до 1, то есть в рабочей полосе частот сигнал СВЧ практически не поглощается, а за пределами полосы практически весь сигнал СВЧ поглощается.

Модуль коэффициента отражения как в рабочей полосе частот, так и за ее пределами не превышает 0,1, то есть отраженный сигнал СВЧ практически отсутствует.

Таким образом, предлагаемая конструкция фильтра СВЧ по сравнению с прототипом позволяет подавить отраженный сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ, увеличить рабочую полосу частот примерно в 2 раза и сохранить массогабаритные параметры.

Изобретение относится к устройствам СВЧ, а именно, к полосно-пропускающим фильтрам СВЧ. Фильтр СВЧ содержит входную и выходную линии передачи, между которыми расположен связанный резонатор, выполненный из двух каскадно соединенных элементов, каждый из которых содержит два отрезка линии передачи одинаковой длины, связанных электромагнитно, при этом входная линия передачи соединена с первым концом первого отрезка первого элемента, первый конец второго отрезка первого элемента разомкнут, первый конец второго отрезка первого элемента разомкнут, второй конец второго отрезка первого элемента соединен с первым концом первого отрезка второго элемента, второй конец первого отрезка второго элемента разомкнут, второй конец второго отрезка второго элемента соединен с выходной линией передачи. Резонатор дополнительно содержит два одинаковых резистора, один из концов каждого резистора заземлен через отрезок линии передачи, а второй конец первого резистора подключен ко второму концу первого отрезка первого элемента, а второй конец второго резистора к первому концу второго отрезка второго элемента, при этом длина каждого отрезка линии передачи кратна нечетному числу четверти длины волны, распространяющейся в этом отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы пропускания фильтра СВЧ. Технический результат - подавление отражений сигнала СВЧ вне рабочей полосы частот фильтра СВЧ и расширение рабочей полосы частот в два раза при сохранении массогабаритных параметров. 3 ил.

Фильтр СВЧ, содержащий входную и выходную линии передачи, между которыми расположен связанный резонатор, выполненный из двух каскадно соединенных элементов, каждый из которых содержит два отрезка линии передачи одинаковой длины, связанных электромагнитно, при этом входная линия передачи соединена с первым концом первого отрезка первого элемента, первый конец второго отрезка первого элемента разомкнут, первый конец второго отрезка первого элемента разомкнут, второй конец второго отрезка первого элемента соединен с первым концом первого отрезка второго элемента, второй конец первого отрезка второго элемента разомкнут, второй конец второго отрезка второго элемента соединен с выходной линией передачи, отличающийся тем, что резонатор дополнительно содержит два одинаковых резистора, один из концов каждого резистора заземлен через отрезок линии передачи, а второй конец первого резистора подключен ко второму концу первого отрезка первого элемента, второй конец второго резистора подключен к первому концу второго отрезка второго элемента, при этом длина каждого отрезка линии передачи кратна нечетному числу четверти длины волны, распространяющейся в этом отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы пропускания фильтра СВЧ.